Установка для одержання вуглецевих наноматеріалів

Реферат: Установка для одержання вуглецевих наноматеріалів містить заповнену газовою вуглеводневою сировиною розрядну камеру з рухомим і нерухомим електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини до розрядної камери та джерело змінного струму з частотою до 100 кГц, з'єднане з електродами. Згідно з винаходом, установка оснащена системою керування режимом газового розряду при атмосферному тиску, що включає датчик струму, регулятор режиму газового розряду і виконавчий механізм, який є приводом рухомого електрода, причому датчик струму встановлено на вході джерела змінного струму, а його вихід з'єднано з входом регулятора режиму газового розряду, вихід якого з'єднано з входом виконавчого механізму. Таке виконання установки дозволяє збільшити продуктивність і зменшити собівартість одержання наноматеріалів, підвищити вихід вуглецевих наноматеріалів. UA 113323 C2 (12) UA 113323 C2 UA 113323 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом перетворення вуглецевмісної сировини в технічний вуглець (вуглецевмісну сажу) або інші вуглецеві наноматеріали. Відомо реактор для здійснення способу для одержання технічного вуглецю або вуглецевмісних сполук, які мають задану наноструктуру (Пат. на винахід № 77162 Україна. МПК 2006) Н05Н 1/26, B01J 19/02, B01J 19/08, B01J 19/26, С01В3/22 (2007.01), що містить камеру, в головній частині якої розміщені щонайменше два електроди, джерело газу, для створення електричної дуги між електродами при подачі достатньої електричної потужності та створення в такий спосіб зони дуги, в яку подається газ із джерела газу для генерування плазмового газу; дросель у формі трубки Вентурі; секцію реакції; щонайменше один інжектор для вдування газоподібної сировини в зону реакції. Електроди з'єднані з джерелом живлення трифазного змінного струму з частотою від 50 до 60 Гц або більше. Нижня частина камери реактора з'єднана із витяжним засобом, через який із реактора здійснюється відбір продуктів реакції газу. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками установки, яка заявляється, є такі: установка містить заповнену газовою вуглеводневою сировиною розрядну камеру з електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини до розрядної камери (щонайменше один інжектор для вдування газоподібної сировини в зону реакції) та джерело змінного струму (для створення електричної дуги між електродами при подачі достатньої електричної потужності та газу), з'єднане з електродами. Причинами, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату установки, є такі: - пристрої для утворення каналу газового розряду (електроди і вихід джерела газу) розташовані в головній частині реактора, а сам канал газового розряду і вуглецевмісна сировина знаходяться в секції реакції, що потребує введення в систему додаткового джерела газу з відповідними засобами його подавання, це призводить в свою чергу до ускладнення установки і збільшення собівартості одержання наноматеріалів; - одержаний за допомогою установки вуглець має неоднорідний склад, що підтверджено широким діапазоном площі поверхні матеріалу, яка корельована з розмірами отриманих частинок. Найбільш близьким за сукупністю ознак до установки, що заявляється, є установка для реалізації способу одержання вуглецевих наноматеріалів (Патент України на винахід № 95543, МПК С01В 31/02 (2006.01), Н05Н 1/24 (2006.01), опубл. 10.08.2011, Бюл. № 15, 2011 p.), що містить заповнену газовою вуглеводневою сировиною розрядну камеру з рухомим і нерухомим електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини до розрядної камери та джерело змінного струму з частотою до 100 кГц, з'єднане з електродами. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками установки, яка заявляється, є такі: заповнена газовою вуглеводневою сировиною розрядна камера з рухомим і нерухомим електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини до розрядної камери та джерело змінного струму з частотою до 100 кГц, з'єднане з електродами. Причинами, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату в зазначеній вище установці, є такі: - розрядний проміжок у процесі одержання нановуглецю постійно зменшується через утворення на кінцях електродів провідного нановуглецевого матеріалу, що призводить до поступового зменшення кількості одержаного нановуглецю та припинення синтезу нановуглецю у разі зменшення довжини дуги до нуля; - рухомий електрод, керований випадковим чином, не забезпечує максимальний вихід одержаного нановуглецю. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення установки для одержання вуглецевих наноматеріалів шляхом введення нових пристроїв і зв'язків між ними та використання залежностей між електричними і технологічними характеристиками процесу синтезу нановуглецю, що дозволить підтримувати довжину каналу електричного розряду в заданому діапазоні та забезпечить одержання достатньої кількості плазми для утворення вуглецевих наноструктурних матеріалів, а також отримувати електродинамічні і термодинамічні характеристики нерівноважної плазми, які необхідні для створення вуглецевих матеріалів заданої наноструктури з малим статистичним розсіянням їх властивостей, і за рахунок цього суттєво збільшити продуктивність і зменшити собівартість одержання наноматеріалів, підвищити вихід вуглецевих наноматеріалів. Суть винаходу полягає в тому, що установка для одержання вуглецевих наноматеріалів, що містить заповнену газовою вуглеводневою сировиною розрядну камеру з рухомим і нерухомим електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини та джерело змінного струму з 1 UA 113323 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частотою до 100 кГц, з'єднане з електродами, згідно з винаходом, оснащена системою керування режимом газового розряду при атмосферному тиску, що включає датчик струму, регулятор режиму газового розряду і виконавчий механізм, який є приводом рухомого електрода, причому датчик струму встановлено на вході джерела змінного струму, а його вихід з'єднано з входом регулятора режиму газового розряду, вихід якого з'єднано з входом виконавчого механізму. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак установки, що заявляється, і технічним результатом, якого можна досягти, необхідно відзначити таке. Ознаки "оснащена системою керування режимом газового розряду при атмосферному тиску, що включає датчик струму, регулятор режиму газового розряду і виконавчий механізм, який є приводом рухомого електрода, причому датчик струму встановлено на вході джерела змінного струму, а його вихід з'єднано з входом регулятора режиму газового розряду, вихід якого з'єднано з входом виконавчого механізму", дозволяють підтримувати довжину каналу електричного розряду в заданому діапазоні, що забезпечить одержання достатньої кількості плазми для утворення вуглецевих наноструктурних матеріалів, а також отримувати електродинамічні та термодинамічні характеристики нерівноважної плазми, які необхідні для створення вуглецевих матеріалів заданої наноструктури з малим статистичним розсіянням їх властивостей, і за рахунок цього суттєво збільшити продуктивність і зменшити собівартість одержання наноматеріалів, підвищити вихід вуглецевих наноматеріалів. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено структурну схему установки, а на фіг. 2 - блок-схему алгоритму роботи системи керування. Установка для одержання вуглецевих наноматеріалів містить розрядну камеру 1, що заповнена газовою вуглеводневою сировиною, засоби підведення газової вуглеводневої сировини 2 і відведення продуктів реакції 3, джерело змінного струму 4 з частотою до 100 кГц, яке з'єднано з рухомим 5 і нерухомим електродами 6. Установка оснащена системою керування режимом газового розряду при атмосферному тиску, що включає датчик струму 7, регулятор режиму газового розряду 8 і виконавчий механізм 9, який є приводом рухомого електрода 5. Датчик струму 7 встановлено на вході джерела змінного струму 4, а його вихід з'єднано з входом регулятора режиму газового розряду 8, вихід якого з'єднано з входом виконавчого механізму 9. Установка працює таким чином. Газову вуглеводневу сировину подають до розрядного проміжку між рухомим 5 і нерухомим 6 електродами за допомогою засобів для підведення сировини 2 у реактор 1. Нерівноважну плазму генерують у каналі газового розряду змінного струму частотою до 100 кГц шляхом з'єднання високовольтного високочастотного джерела змінного струму 4 з електродами 5 і 6. Використовуючи плазму з газової вуглеводневої сировини отримують тепло, необхідне для хімічної реакції розкладення газової вуглеводневої сировини на вуглець і водень та утворення вуглецевих наноструктурних матеріалів. Відводять газоподібні продукти реакції і невикористану сировину за допомогою засобів відведення газоподібних продуктів реакції 3. Розрядний проміжок у процесі одержання нановуглецю постійно зменшується через утворення на кінцях електродів провідного нановуглецевого матеріалу, що призводить до поступового зменшення кількості отриманого нановуглецю і припинення синтезу нановуглецю у разі зменшення довжини дуги до нуля. Вихід нановуглецю майже пропорційно залежить від потужності джерела живлення, тобто від величини струму, що споживається. Відомо [Вінниченко Д.В. Визначення оптимальних характеристик високовольтної електророзрядної системи для реалізації технології електроімпульсного синтезу нановуглецю //Технічна електродинаміка. 2014. № 4. - С 129-131.], що напруга uC на каналі розряду майже пропорційно залежить від його довжини, тобто і потужність на каналі розряду рC=uCіC також залежить від його довжини. Тому найменше значення споживаного струму і буде спостерігатися за умови нульової довжини каналу розряду, а максимальне - за умови такої довжини, за якої характеристики електричної системи є руйнівними для джерела живлення. Таким чином, для забезпечення найбільшого виходу нановуглецю за умови неруйнівної роботи джерела живлення, необхідно підтримувати значення середньоквадратичного струму, що споживається, в заданому діапазоні і  Ι за допомогою системи керування, алгоритм роботи якої наведено на фіг. 2. Упродовж роботи установки (див. фіг. 2) за допомогою датчика струму 7 постійно визначаються значення середньоквадратичного споживаного струму і, якщо воно не знаходиться у діапазоні Ι (i  Ι), то вмикається виконавчий механізм 9 (за керуючим сигналом регулятора режимом розряду 8 ψ=1), який є приводом електрода та різко переміщує електрод 5 вниз і вгору. В результаті різкого зворотнопоступального руху електрода провідний нановуглецевий матеріал, що утворився на кінцях електродів, руйнується, а між електродний проміжок знову збільшується, забезпечуючи 2 UA 113323 C2 5 10 15 виконання умови і  Ι. Після заповнення реактора 1 вуглецевими наноматеріалами, їх висипають з реактора в ємності для зберігання і подальшого використання. Шляхом дії на газову вуглеводневу сировину нерівноважною плазмою каналу електричного розряду забезпечують фізико-хімічні реакції розкладання сировини і створення умов для синтезу вуглецевих наноматеріалів. Для утворення нерівноважної плазми використовують змінний струм частотою до 100 кГц. Як датчик струму можна використовувати трансформатор струму, як регулятор режиму газового розряду - регулятор за релейним принципом дії, а як виконавчий механізм -електромагніт. При потужності генератора 1 кВт продуктивність установки за безперервної роботи досягає 20 г нановуглецю на годину. Синтезований аморфний нановуглець має onion-like (луковичну) структуру з розміром частинок у діапазоні від 8 до 30 нм. Він не містить домішок і не потребує додаткового доочищення (вміст вуглецю від 99 до 99,99 %). Таким чином, установка для одержання вуглецевих наноматеріалів, що заявляється, дозволить підтримувати довжину каналу газового розряду в заданому діапазоні та забезпечить одержання достатньої кількості плазми для утворення вуглецевих наноструктурних матеріалів, а також отримувати електродинамічні і термодинамічні характеристики нерівноважної плазми, які необхідні для створення вуглецевих матеріалів заданої наноструктури з малим статистичним розсіянням їх властивостей, і за рахунок цього суттєво збільшити продуктивність і зменшити собівартість одержання наноматеріалів, підвищити вихід вуглецевих наноматеріалів. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Установка для одержання вуглецевих наноматеріалів, що містить заповнену газовою вуглеводневою сировиною розрядну камеру з рухомим і нерухомим електродами, засоби підведення газової вуглеводневої сировини до розрядної камери та джерело змінного струму з частотою до 100 кГц, з'єднане з електродами, яка відрізняється тим, що вона оснащена системою керування режимом газового розряду при атмосферному тиску, що включає датчик струму, регулятор режиму газового розряду і виконавчий механізм, який є приводом рухомого електрода, причому датчик струму встановлено на вході джерела змінного струму, а його вихід з'єднано з входом регулятора режиму газового розряду, вихід якого з'єднано з входом виконавчого механізму. 3 UA 113323 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4